浅析集中供热自动化系统的协调与控制

【摘要】为了集中供热系统使供热企业更加节能降耗、更加方便管理，在充分考虑到锅炉、热网设备、工艺现状及控制要求的前提下，提出各热力站分散就地控制、中控室集中监控调度、总体协调的控制方案。经实践证明该系统将大幅度的降低供热企业成本，显著提高供热企业的经济效益。

【关键词】集中供热系统；中控室集中调度；优化控制

1.分布式控制、集中管理的DCS控制系统结构

各热力站根据本小区一些基本参数实现数据采集和控制，在本站进行监控的同时，将本站的参数送往中央控制室调度计算机；中央控制室调度计算机根据各热力站送来的工况信息和环境信息，对全网的水力平衡和热力平衡状况进行分析，根据室外温度计算出的负荷要求以具体的方式向热源发出热源质、量调节的申请，同时对各热力站发出协调命令，控制各个站的热量以维持大网的水力平衡。这种分布式控制、集中管理的控制方式是目前工业过程控制领域中运用最为广泛的方式，几乎所有主要的控制系统都使自己适应这种控制策略，它的优点主要是：（1）整个系统的控制风险分散，即每个控制单元的失效不会引起整个系统的失效。（2）控制效率高，即各单元的控制就地独立实施，速度快，与其它单位的控制互不影响。（3）通讯可靠，由于各热力站的主要控制功能在站内完成，所以整个通讯大网只是设定值和各站监测数据的传送，因此通讯任务被减少到最低，提高了整个网络的通讯可靠性。（4）以中控室调度计算机作为总体协调，达到热源热网的综合调节，最终实现整个供热系统的按需供热，消除冷热不均，为用户节省大量能源。

2.中央控制室的全网监控、协调全网监控、协调的功能

采集所有热力站的各压力、温度、流量等主要工况。根据室外温度及各热力站的负荷变化，向热源发出进行质调命令以满足热网热力平衡，量调命令以满足热网水力平衡的命令。如果热网的水力平衡因某处的故障，全网负荷变化，局部的负荷突然变化而产生的耦合效应等等因素而受破坏，监控系统将协调所有换热站来维护热网的水力平衡。热网的水力平衡、热力平衡是热网全网调控的主要控制对象，尤其是水力平衡，它的失衡或失控将造成全网或局部网的工作瘫痪。具体控制方案简述如下：

（1）热力平衡。热网的热力平衡并不是一件难控的事情。由于我国的热网自动控制仅有几年的历史，控制领域的志士对它的研究还不深，热力平衡实际上仅是要求热源、热网在不同工况下的供热量要与实际的负荷耗热量相平衡。对于热力平衡维持的控制，要测量、计算不同时期、不同室外温度下，各热力站的负荷变化，及全网的负荷变化，及时向热源发出具体负荷变化要求的质调命令，如果热源质调因热网热惯性与供热对象热惯性之间不能弥补的滞后部分，由大网协调各热力站，维持水力平衡来解决，即热源仅向热网提供需要的变化热负荷。这种方案将完全消除热网的热惯性振荡，并防止能源的浪费。

（2）热网的工艺设计、阀门选型、节流元件的选型必须保证热网是在不同的负荷条件下，热网是水力平衡可控的。即热网各热力站在不同的负荷条件下，其工作水压图不能过多偏离设计水压图，从而造成部分热力站水压不足而水利失调，不能满足负荷要求，并且不可靠。随着热力负荷增加，各热力站热水流量增加，梯形水压曲线不断变陡，为维持各热力站的水力不失调，在任何负荷下，必须维持各热力站一次网供水与回水的正常工作压力。即热交换器＋排污阀＋调节阀＋阻力元件的各自当前负荷下的正常工作压力。水力向上失衡（工作压力超出设计压力）时，由于各换热站的调节阀虽然超出线性正常调节工作区。但仍能控制水量； 水力向下失衡（工作压力低于设计压力）时，局部热力站的调节阀将退出其线性正常调节工作区。通常首先出现在大负荷热力站附近或远端热力站。严重时热力站的水力就出现失控，并将立即影响供热质量。由于进一步阐述所需的篇幅过多，我们仅简单结论为：一个健全的水力平衡热网应该是从工艺设计、设备选型以及控制系统都为完善的系统。

（3）维持水利平衡控制的方案。室外温度的变化必然引起对大网质调、量调的需求，中控中心将根据量调的具体需求，通知热源以维持热网的水力平衡。向热源发出质调命令，提高一次网水温以减少热网的水力损失。如果负荷变化过大，或热源未能完全满足量调的要求，而将引起局部或全网的水利失调（热力站的调节阀偏离其压差－流量曲线），控制中心将按设定的水平一致的原则向各热力站发出降低负荷命令，以维持全网的水利平衡可调。如果由于故障或局部负荷异常变化而造成局部水力耦合失调，中控中心将首先判断是否故障或允许可调范围内变化，而下关断热力站命令或有关热力站进行局部水力协调命令，以维持全网的水利平衡可调。

3.调度监控指导

为了进一步搞好大网的全网质量双调，在物理上热网调度系统处于中央控制室计算机网络的上位机工作站中，　处于系统控制方案的最上层，它可以不仅提供热网控制的仿真指导、故障诊断，也可以通过中控SCADA的控制系统，直接参与热网的质量双调、全网控制。

3.1调度系统的工作原理

调度系统是根据热网的物理原型，引用电工原理中的基尔霍夫节点流量定律和基尔霍夫回路压降定律。首先根据热网的具体设计参数如管径、长度、阻力参数、换热器、阀门等等的各种可利用的参数、定量的建立热网全网各元素的物理数字模型；热网运行后，调度系统在线的对热网进行监控，将全网的压力、温度、流量测量值做为仿真系统的输入，不断的利用动态真实的工况、系统、设备及响应对热网的物理数字模型进行修正，以逼近真实的热网系统及设备特性，最后形成一套与热网以及各热网设备特性非常接近的物理数字计算模型。在此物理数字模型上，计算机可以仿真的计算热网运行的运行参数、运行结果，热网在负荷变化后的运行次数、运行结果，控制系统进行干预，控制后的运行结果等，如果真实的系统的运行结果与计算的结果有较大差异时，仿真系统可以对实际运行的异样工况进行诊断，以分析原因。

3.2调度系统的功能

根据热网的设计参数而建立的原始热网模型，在安装、调试时，计算负荷及相应的二次网侧流量、一次网流量、阀门开度，以减少调试的时间。提供热网的水压趋势图，向操作员提供在室外温度变化、负荷变化时，进行各种质、量调节后热网的水压趋势，以使操作员提前了解调节方案的结果。避免热网水力、热力失衡、系统振荡。在热网负荷变化时，向操作员提供操作控制指导，以供操作员选择。通过中控监控系统的控制程序直接参与控制，提供优化的控制方案。根据热网的物理模型，对现有工况进行分析，以诊断非正常的工况、故障等，如堵、漏、热力站水力失衡等。离线对操作员进行热网运行操作培训，在不干扰热网运行的前提下，高效率对操作员进行仿真培训。

综上所述，总体控制方案分为三个部分：热力站的分布式独立控制；中央控制室的集中监控、协调；调度系统的操作指导分析、优化控制。这样整个热网将在安全、可靠、功能合理分配、风险分散、通讯畅通的条件下对整个热网的各个环节及整个热网实现有条不紊的控制、协调。　[科]

【参考文献】

［１］工业锅炉技术大全[M]．科学普及出版社，2007．

［２］李英伟．供热系统自动化应用[J]．哈尔滨：哈尔滨工业大学学报，2008．